我們都知道，在原子的核心是原子核。從傳統核物理的視角看，原子核被看作是相互作用的核子（即構成原子核的質子和中子）的集合；而從粒子物理學的視角看，原子核被看作是由夸克和膠子組成的系統。

原子是由質子與中子構成的，而質子和中子則是由基本粒子夸克和膠子構成。（圖/原理）

長期以來，這兩種對原子核的描述都是分離的。直到最近，在一篇發表于《物理評論快報》的研究中，物理學家終于發展了一個統一的框架，將這兩個在此前彼此分離的世界結合在一起。

兩種不同的描述

人類之所以能看到周圍的環境，是因為我們能用與生俱來的探測器——眼睛——來記錄散射的光子，這些光子會與環境中的物體的原子和分子相互作用。為了能夠“看到”原子核，物理學家也可以采取類似的方式：將原子核與更小的粒子碰撞，然后仔細分析碰撞的結果。

在實際操作過程中，物理學家使用的不是電中性的光子，而是攜帶電荷的基本粒子，通常是電子。實驗表明，當電子的能量相對較低時，原子核的行為就好像是由核子構成的，而當電子的能量較高時，原子核內的部分子（即夸克和膠子）就變得“可見”了。

長期以來，物理學家分別使用描述低能量碰撞的核子模型和描述高能量碰撞的部分子模型，這兩種模型都能很好地重現電子與原子核碰撞的實驗結果。然而，這兩種視角一直未被統一到一個一致的理論框架中。

部分子分布

為了研究在高能條件下的部分子結構，物理學家使用了部分子分布函數（PDF）。這些函數描述了夸克和膠子的動量和能量是如何在質子、中子，以及整個原子核內分布的。

通常，部分子函數是通過高能實驗獲得的，比如在粒子加速器上進行的以接近光速的速度碰撞粒子的實驗。利用原子核的部分子分布函數，物理學家可以確定一些實驗室可測量的參數，例如電子或質子與原子核碰撞時產生特定粒子的概率。

在新的研究中，研究人員受到了一些描述低能碰撞的核模型的啟發，巧妙地擴展了部分子分布函數。在這些低能碰撞的核模型中，會假設當原子核中的兩個核子非常接近時，會結合成短程相關核子對——質子-中子、質子-質子和中子-中子，并在短短飛秒內進行強相互作用。

圖中，夸克被描繪成較小的球體，通過膠子相互作用產生核子。紫色突出了臨時的相關核子對。（圖/IFJ PAN）

通過將核子的部分子結構和原子核的核子之間的相互作用結合在一起，研究人員推導出了短程相關核子對的部分子分布函數，從而在原子核的夸克-膠子描述和質子-中子描述之間，建立了直接關聯。

預測與實驗一致

研究人員將他們的框架應用于19個不同原子核的散射實驗數據，其中包括來自大型強子對撞機（LHC）的數據。他們確認了這些原子核中的部分子分布函數、相關核子對中的部分子分布，甚至是這些相關核子對的數量。

結果證實，理論預測與實驗數據非常一致：在輕核（如氦）中，核子很少形成短程相關核子對；但在重核（如鉛）中，近一半的核子會形成短程相關核子對。而且新研究還證實了已經在低能實驗中觀察到的結果，即大多數短程相關核子對是質子-中子對。

這些發現不僅檢驗了研究團隊所發展的新方法，也為研究開辟了新的途徑，標志著物理學家在對核結構和強相互作用的理解上邁出了重要一步。研究人員表示，未來，這一框架將有望幫助物理學家更精確地研究單個原子核的部分子分布。

#創作團隊：

編譯：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://press.ifj.edu.pl/en/news/2024/10/15/

https://physicsworld.com/a/two-distinct-descriptions-of-nuclei-unified-for-the-first-time/

#圖片來源：

封面圖&首圖：IFJ PAN